ESTUDIO DE UN COLECTOR SOLAR DE PAREDES PLANAS PARA DESINFECTAR AGUA

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1 XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002 ESTUDIO DE UN COLECTOR SOLAR DE PAREDES PLANAS PARA DESINFECTAR AGUA Arturo González Herrera (*) Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Ingeniero Civil, generación , Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Master en Contaminación Ambiental, , Universidad Politécnica de Madrid. Investigador asociado C del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). Experiencia y líneas de trabajo: saneamiento básico, desinfección solar, filtración en múltiples etapas y evaluación de plantas potabilizadoras. Obtuvo el Premio León Bialik 2001 a la innovación tecnológica otorgado por la UNAM como coautor. Josefina Vergara Sánchez, alumna de la División de Estudios de Postgrado (DEPFI), UNAM Alejandra Martín Domínguez, Centro de Investigación en Materiales Avanzados, A. C. (CIMAV) Erick R. Bandala González, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Claudio Alejandro Estrada Gasca, Centro de Investigación en Energía (CIE), UNAM (*) Paseo Cuauhnáhuac 8532,Col. Progreso, Jiutepec, Morelos, CP 62550, México Tel. (52) , FAX (52) , argonzal@tlaloc.imta.mx RESUMEN El presente artículo muestra los resultados de un estudio de materiales especulares o reflectivos para mejorar el uso de un concentrador solar de paredes planas para desinfectar agua de consumo humano. Se probaron nuevos materiales de uso común como plásticos metalizados, láminas de aluminio y galvanizada, así como papel aluminio y cinta de aluminio, dando por resultado que el mejor material considerando reflectividad, durabilidad y eficiencia para remoción de coliformes totales es la cinta de aluminio. Palabras clave: desinfección, agua de consumo, concentrador solar, comunidades rurales. INTRODUCCIÓN En muchas comunidades rurales no cloran el agua por rechazo al sabor o falta de suministro del producto. Tampoco hierven el agua por escasez de la leña, alto costo, la dificultad de tener que acarrearla o porque el sabor también cambia. El uso de la plata coloidal se ve limitado por su costo y baja disponibilidad en comunidades marginadas. Una alternativa para desinfección del agua para este tipo de comunidades es la radiación solar, la cual ha demostrado ser una técnica eficiente en la inactivación y destrucción de bacterias patógenas en el agua. Las botellas de plástico transparente de 2 litros de capacidad, comúnmente utilizadas en las bebidas comerciales, son adecuadas para usarse en la desinfección solar, pero requieren de más de cinco horas de exposición solar en días soleados para remover cinco unidades logarítmicas de coliformes fecales, de acuerdo a estudios de laboratorio y campo realizados por Martín Wegelin desde Con el propósito de aumentar la intensidad de radiación o reducir el tiempo de exposición, en 1999 personal del IMTA y del CIE UNAM, desarrollaron un concentrador de paredes planas con capacidad para tres botellas de plástico de 2 litros (Martín et al, 1999). El concentrador consta de una base de madera de 55 cm x 55 cm, cuatro aletas planas también de madera de 35 cm x 35 cm cada una forradas de papel aluminio y ocho triángulos de madera para dar una inclinación de 60 a las aletas respecto a la horizontal (Figura 1). Por la geometría de este concentrador, su capacidad ideal esperada sería la concentración de 3 soles. 1

2 En ese trabajo se evaluó la remoción de virus, bacterias coliformes y Vibrio cholerae bajo diversas condiciones de exposición al sol y calidad del agua. El dispositivo demostró ser eficiente para la remoción de más de cinco unidades logarítmicas de coliformes totales en cuatro horas de exposición. En cuanto a virus, cólera y E. coli, se lograron remociones hasta seis unidades logarítmicas en tres horas (Martín et al., 1999 y Cortés et al., 2000). Durante el 2000, personal del IMTA trabajó en comunidades rurales de Chiapas y Oaxaca para evaluar la viabilidad técnica y social de esta tecnología y establecer las condiciones de operación en campo del dispositivo. Durante los meses de mayo, julio y octubre se probó la eficiencia en la remoción de coliformes totales y E. coli directamente en las casas de los usuarios que quisieron probar la tecnología (Martín et al., 2000). Los resultados mostraron que la desinfección es técnicamente factible, siempre y cuando el nivel radiación recibida por las botellas entre las 10:00 y las 15:00 sea superior a los 3000 W-h/m 2. Estos niveles de radiación se observaron en las zonas de estudio aún durante el período de lluvias. Sin embargo, un aspecto crítico en el uso de estos concentradores durante las pruebas en campo, fue la baja durabilidad del papel aluminio utilizado como superficie reflejante, lo que ocasiona que se deteriore ante la intemperie y baje el rendimiento del dispositivo hasta hacerlo inoperante. Por lo anterior surgió la necesidad de realizar un estudio de materiales para mejorar su durabilidad manteniendo o mejorando sus propiedades para la correcta operación del dispositivo. El objetivo del presente estudio fue mejorar el concentrador solar desarrollado por el IMTA y el CIE utilizando un material más resistente que el papel aluminio y de igual o mejor reflectancia. METODOLOGÍA Y EXPERIMENTACIÓN La metodología a seguir fue la siguiente: 1) búsqueda de de materiales reflejantes de uso común y fácil adquisición; 2) determinación de la capacidad de reflejar la radiación solar (longitud de onda en el rango 200 a 700 nm) para preseleccionar los mejores materiales y construir los colectores; 3) determinación de la radiación útil (radiación incidente, fracción que entra a la botella considerando las características geométricas y reflectivas del concentrador así como la transmitancia del plástico de la botella y diámetro) y 4) Medición de la eficiencia de la desinfección solar en la remoción de bacterias coliformes. La reflectancia de los materiales se midió con un espectrofotómetro UV visible marca Shimadzu, modelo UV-1601, del departamento de materiales del CIE. La radiación solar útil que entra a las botellas, se determinó usando como actinómetro químico una solución de ácido oxálico (H 2 C 2 O 4 2H 2 O) y nitrato de uranilo [UO 2 (NO 3 ) 2 6H 2 0] con la cual se llenan la botella y se exponen al sol. El Ac. Oxálico dentro de las botellas se degrada hasta CO 2 por la acción de la radiación solar dentro del rango de longitudes de onda entre 300 a 546 nm y del uranilo como catalizador. El Ac. Oxálico remanente se cuantifica titulando la solución con permanganato de potasio. Se ha seguido la metodología de Curcó y colaboradores de la Universidad de Barcelona y Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de España (Curcó et al., 1996). La intensidad o densidad de potencia de radiación solar (W/m 2 ) se midió en el IMTA con un piranómetro modelo CM11, marca Kipp & Zonen, cuyo rango de medición espectral es de 305 nm a 2800 nm, de la cual al rango de 300 a 546 nm le corresponde aproximadamente el 35% (Blanco y Malato, 2000). Para las pruebas bacteriológicas se usó agua residual proveniente del efluente de la planta de tratamiento del IMTA (lodos activados modalidad aireación intermitente), con un conteo de hasta 10 5 NMP/100 ml en coliformes totales y 10 5 NMP/100 ml de E. coli, los cuales se utilizaron como organismos indicadores de contaminación bacteriana, midiéndose mediante tecnología de sustrato definido. También se midió la temperatura del agua alcanzada dentro de las botellas. En todas las pruebas, los colectores quedaron orientados de tal forma que dos aletas fueran perpendiculares al movimiento del sol durante el día y el fondo se inclinó para quedar normal a los rayos del medio día solar con el fin de captar la mayor cantidad de radiación en las botellas (Figura 2).

3 Todas las botellas utilizadas en las diferentes pruebas fueron de plástico transparente de dos litros de capacidad, pintas con una franja negra a lo largo de la botella y que cubría menos de la mitad del perímetro. Las botellas se colocaban acostadas dentro del concentrador con la franja negra hacia abajo. Figura 1. Concentrador solar para desinfección de agua Figura 2. Orientación del concentrador solar al medio día solar RESULTADOS Los materiales reflectivos conseguidos y estudiados fueron: láminas lisas galvanizada (calibre 20) y de aluminio (calibre 20); papel aluminio doméstico de tres marcas; plásticos aluminizados y metalizados (usados para envoltura de regalos y alimentos); papel metalizado (para envoltura de regalos); y cinta autoadherible 100% aluminio de 5 cm de ancho (usada para aislamiento térmico en sistemas de refrigeración). Las reflectancias promedio medidas en los rangos de 200 a 700 y 300 a 540 nm para los diferentes materiales se muestran en la Tabla 1. El comportamiento de la reflectancia en función de la longitud de onda para algunos de los materiales estudiados se muestra en la Figura 3. Tabla 1. Reflectancias promedio en (%) de diferentes materiales Material nm nm Plástico metalizado (envoltura de regalos) Plástico aluminizado (envoltura de papas fritas) Cinta 100% aluminio autoadherible Papel metalizado (envoltura de regalos) Papel aluminio (para uso en cocina) Placa y lámina de aluminio Lámina galvanizada En la gráfica de la Figura 3, se pude observar que los materiales más reflectivos en el rango de la radiación UV ( nm) son el papel metalizado y los plásticos metalizados y aluminizados empleados para envolver regalos o alimentos (papas fritas y galletas, entre otros), seguido del papel aluminio y de la cinta de aluminio.

4 Reflectancia (%) Longitud de onda (nm) Placa de Aluminio Ced. 22 (1) Lámina Galvanizada Ced.24 (3) Lata de Aluminio (4) Papel Aluminio Alupak (8) Papel Aluminio Aluplus (9) Envoltura p/papas de plástico aluminizado naranja (13) Papel metalizado p/regalo (14) Plástico metalizado p/regalo (19) Envoltura p/galleta de plástico metalizado (20) Cinta autoadhesiva de aluminio (27) Figura 3. Gráfica de reflectancias de los materiales de estudio Para las pruebas actinométricas se eligieron cuatro materiales reflejantes: cinta adherible de aluminio, plástico aluminizado, lámina galvanizada y papel aluminio. Se realizaron tres tipos de pruebas: en la primera, con el propósito de determinar la radiación útil de las botellas en función de su posición dentro del concentrador y de la hora del día, se utilizó el material más reflejante (plástico metalizado, Figura 4) colocando las botellas (izquierda, central y derecha, en relación al movimiento del sol y mirando hacia el norte) y midiendo la radiación a las 10:10, 11:40 y 13:10 hrs (tiempo medio) en cada una. En la segunda prueba el objetivo fue comparar los diferentes materiales para lo cual se colocaron dos botellas (izquierda y central) en cada concentrador exponiéndolas al sol a las 13:00 hrs. La tercera prueba fue similar a la primera pero se utilizó la cinta de aluminio como material reflejante. La duración de cada ensayo fue de 20 minutos, tiempo en que las botellas con la solución actinométrica se colocaban en el concentrador y después del cual se retiraban, se cubrían y se guardaban para evitar la incidencia de la radiación solar. Se colocó como testigo una botella con el actinómetro químico fuera del concentrador solar y expuesta al sol al mismo tiempo que las otras botellas. Las fórmulas empleadas para el cálculo del coeficiente de eficiencia (Φ ef ) del concentrador solar y la radiación útil absorbida por el actinómetro (F abs ), son las siguientes (Curcó et al, 1996):

5 Φ ef = ( C0 Ct ) ( VT * Na * h * Cv) * W ( S n ) T MOD MOD ** { λ f [ 1 exp( α * D) ]* φ Φ } I λ λ λ Tλ ecuación (1) Φ 540 ef * S mod * nmod F ABS = * WT * λ * f λ *[ 1 exp( α λ * D) ]* Φ Tλ ecuación (2) N * h * c Donde: a v λ = 300 C 0 concentración inicial del ácido oxálico a t 0, mol/l n mod número de módulos, igual a 1 C t concentración del ácido oxálico al tiempo t, mol/l D diámetro promedio de la botella, m W T energía total acumulada en el lapso de t 0 a t, J/m 2 λ longitud de onda, de 300 a 540 nm Na número de Abogadro, x mol 1 o eins -1 f λ distribución espectral h constante de Plank, x J s α λ Coef. de absorción del líquido, 1/cm C v velocidad de la luz, x 10 8 m/s φ λ producción cuántica V t volumen total del reactor (una botella = m 3 ) Φ T λ transmitancia del plástico de la botella S mod superficie del colección, m 2 S Bot superficie de la botella, m 2 El coeficiente de eficiencia es específico para cada material, hora y posición de botella dentro del colector solar. Con este coeficiente y el valor de la energía solar acumulada durante las pruebas bacteriológicas, se calcula la radiación útil o dosis requería para la total remoción de coliformes totales y fecales. Los resultados finales para el cálculo de la radiación útil dentro de botellas en función de su ubicación, hora y tipo de material reflejante, se presentan en Tabla 2, Tabla 3 y Tabla 4. Tabla 2. Coeficiente de eficiencia y radiación útil de las botellas del concentrador de papel metalizado a diferentes horas Botella Hora C 0 C t (mol/m 3 ) W T (J/m 2 ) Φ ef Fabs (eins) Central 10: : : Izquierda 10: : : Derecha 10: : : Testigo 10: : :

6 Tabla 3. Coeficiente de eficiencia y radiación útil de la botella izquierda para diversos materiales a las 13:10 hrs Material C 0 C t (mol/m 3 ) W T (J/m 2 ) Φ ef F abs (eins) Plástico metalizado Papel aluminio Lámina galvanizada Botella testigo Tabla 4. Radiación útil en las botellas izquierda y central en colector con cita de aluminio y testigo a diferentes horas Botella Lapso (hr) C 0 C t (mol/m 3 ) W T (J/m 2 ) Φ ef Fe (eins) Izquierda 11:30-11: :30-12: :30-13: Central 11:30-11: :30-12: :30-13: Botella testigo 11:30-11: :30-12: :30-13: Fabs (eins) Plástico metalizado Testigo IZQ. CEN DER :00 11:00 12:00 13:00 14:00 Hora Fabs (eins) Botella Izquierda, 13:00-13:20 Testigo L. Galvanizda Plástico metalizado Material reflejante Papel Al Figura 4. Gráfica de radiación útil utilizando plástico metalizado Figura 5. Gráfica comparativa de radiación útil para diversos materiales

7 Fabs (eins) Cinta de Aluminio B. CIZQ B. CEN. TESTGO :00 12:00 13:00 14:00 Hora Figura 6. Gráfica de radiación útil con cinta de aluminio Como se puede apreciar en Figura 4, Figura 5 y Figura 6, en general las eficiencias más altas de concentración se lograron para el plástico metalizado y la cinta de aluminio. Por ejemplo, para la botella izquierda a las 11:40 hrs, la radiación útil (eins) que entró a las botellas fue 2.26 veces la del testigo. De manera global y a manera de comparación, de los materiales probados, el que dio valores más altos de radiación útil en las botellas fue la cinta de aluminio ( eins), después el papel aluminio ( eins), enseguida el plástico metalizado ( eins) y por último la lámina galvanizada (0.0105eins), en comparación con el testigo ( y ) eins. También se observa que la radiación absorbida fue mayor en la botella izquierda que en la central, tanto en el concentrador forrado con plástico metalizado como para el de cinta de aluminio. De los resultados de las pruebas de remoción bacteriológica sólo se presentan los relativos a los coliformes totales, pero hacemos la aclaración que los E. coli son mucho más sensibles a la radiación solar que los totales. Las figuras 7, 8 y 9, muestran las curvas de decaimiento horario de los coliformes totales durante las pruebas de desinfección solar. La Figura 7 muestra los resultados comparativos de la botella central para tres materiales reflectivos: papel aluminio, papel metalizado y lámina galvanizada. La Figura 8 presenta los resultados comparativos para los dos mejores materiales: papel y cinta de aluminio. El decaimiento bacteriano usando el colector solar forrado con cinta de aluminio aparece en la Figura 9. Figura 7. Decaimiento de coliformes totales usando diferentes materiales reflejantes Figura 8. Decaimiento de coliformes totales usando cinta y papel aluminio como superficie reflejantes Respecto a la eficiencia de remoción de coliformes totales, el concentrador de cinta de aluminio logró eficiencia del 100% en tan sólo 2 horas (Figura 9); los concentradores hechos de papel aluminio y plástico metalizado necesitaron 4 horas, mientras que la lámina galvanizada 6 horas para una eficiencia del 99.99% (Figura 7 y Figura 8), igual que la botella testigo (sin concentrador solar). En estas gráficas también aparece la energía solar acumulada para cada prueba. En todos los casos se requiere para la remoción total una energía superior a los 2200 W-h/m 2. La temperatura del agua en las botellas alcanzó valores máximos a las 4 horas de exposición, siendo para el papel y cinta de aluminio hasta de 56.8 C, 52.7 C para el plástico metalizado, 49.3 C para la lámina galvanizada y 46.0 C para la botella testigo. Figura 9. Decaimiento de coliformes totales usando el colector solar de cinta de aluminio En cuanto a la durabilidad de los materiales, los plásticos metalizados y aluminizados resultaron ser muy deteriorables principalmente por la radiación

8 solar; un poco más resistente es el papel aluminio, pero mejor resulta la cinta de aluminio, la cual se conserva adherida a la base de madera usada en las paredes durante más tiempo que los otros materiales. Las láminas galvanizadas y de aluminio son muy resistentes a la intemperie. CONCLUSIONES El mejor material reflejante para el concentrador es la cinta autoadherible de aluminio, ya que da mayor durabilidad que los plásticos metalizados y que el papel aluminio de uso doméstico, además facilita la construcción del concentrador por ser autoadherible. Las láminas galvanizada y de aluminio son muy resistentes y durables pero son poco efectivas para reflejar la radiación solar, por lo que se considera que no son una buena alternativa. El uso de concentradores solares de paredes planas aumenta la radiación útil dentro de la botella hasta 2.25 veces la del testigo, dependiendo de la posición de la botella y de la hora el día, lo que concuerda con el diseño teórico del colector, que tiene una capacidad ideal de concentración de tres soles. La botella izquierda (y se estima que también la derecha, por simetría) recibe mayor radiación que la central, después de las 11:00 hrs, según se aprecia en Figura 4 y Figura 6. La razón se debe a que las botellas de los extremos le hacen sombra a la central en cuanto a la radiación reflejada en las paredes laterales. La ventaja radica en requerir una menor cantidad de energía radiante o menor tiempo de exposición para lograr eficiencias de remoción hasta del 100% de coliformes totales. Esto es útil en los lugares con bajos niveles de radiación o tiempos de insolación reducidos por nubosidad en épocas de lluvias. Agradecimientos.- Se reconoce y agradece la valiosa participación de Manuel Sánchez del IMTA, en la planeación y realización de las pruebas actinométricas. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Blanco J., Malato S. (2002) Solar Detoxification. John Wiley and Sons, UNESCO. NewYork Cortés J., et al. (2000) Radiación solar para desinfectar agua en comunidades rurales; Informe final, proyecto IMTA/CNA, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, 59 pp. Martín A., et al. (1999) Desinfección del agua por radiación solar; Informe final, proyecto IMTA/CNA, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, 51 pp. Martín A., et al. (2000) Viabilidad técnico social de la desinfección solar; Informe final, proyecto IMTA/CNA, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, 7 capítulos. Wegelin, M. (1999) Solar Water Disinfection. A water treatment process used at household level, Swiss Federal Institute for Environmeantal Science and Technology, Department of Water and Sanitation in Developing Countries (EAWAG/SANDEC.), Suiza.